一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构及其制备方法与流程

本发明涉及柔性太阳电池研发技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构及其制备方法。

背景技术：

近年来，钙钛矿太阳电池凭借其优异的性能表现，在受到学术界青睐的同时，也越来越受到商业上的关注，而柔性钙钛矿太阳电池作为一种可以应用于商业上的太阳电池类型，其发电效率的稳定性是一个重要的课题。而如何在太阳电池稳定性测试中得到准确的测试结果，这也是一个趋待解决的问题，这其中包括：

(1)隔绝水、氧接触，柔性衬底自身包含微小孔洞连通两面导致外界空气进入，目前并无报道说明如何解决此问题；

(2)电池有效面积精确标定，采用外接电极测试方法不同于直接在电池上的单点测试方法，制备电极时极易造成电池短路使电池损坏，同时多次使用沉积掩膜制备膜层会导致掩膜公差放大，从而使最终的电池有效面积产生较大偏差。

(3)重复测试影响电池整体结构，稳定性测试需要长时间的多次测试，即使采用外接电极的方式，在柔性衬底上也十分容易损坏。

目前并没有一个能够完全解决上述问题并适合柔性衬底太阳电池使用的方法。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构及其制备方法，以满足柔性钙钛矿太阳电池的稳定性精确测试需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构，包括：衬底和测量掩膜，所述衬底上设置有透明导电氧化物层、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层、绝缘阻隔层、第一金属电极层、第一电极引线、第二金属电极层、第二电极引线；所述测量掩膜贴合在柔性太阳电池的入光面；还包括包覆所述电极结构的包覆材料层。

进一步地，所述衬底为柔性透明材料，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺。

进一步地，所述测量掩膜包括遮光区域和透光区域；

所述透光区域的面积与所述第二金属电极层在电子传输层上的面积相同；

所述遮光区域为去除所述透光区域面积的部分。

进一步地，所述透明导电氧化物层完全覆盖在所述衬底的上表面，其为ito薄膜或azo薄膜。

进一步地，所述空穴传输层设置在所述透明导电氧化物层的上表面，且不完全覆盖所述透明导电氧化物层，其包括niox、pedot:pss、p3ht以及ptaa的一种或几种的结合。

进一步地，所述钙钛矿吸收层完全覆盖在所述空穴传输层的上表面，其为abx3型钙钛矿材料。

进一步地，所述电子传输层完全覆盖在所述钙钛矿吸收层的上表面，其包括tio2、sno2、nb2o5、zno、富勒烯及其衍生物的一种或几种的结合。

进一步地，所述绝缘阻隔层设置在所述透明导电氧化物层的上表面，且所述绝缘阻隔层的左侧面紧贴空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层的右侧面，所述绝缘阻隔层的右侧面与所述第二金属电极层的右侧面平齐，其包括al2o3、sio2以及mgo的一种或几种的结合。

进一步地，所述绝缘阻隔层的厚度，与所述空穴传输层、钙钛矿吸收层以及电子传输层三个膜层的总厚度相同。

进一步地，所述第一金属电极层和第二金属电极层均包括au、ag、cu以及al的一种或几种的结合；其中，

所述第一金属电极层设置在未覆盖所述空穴传输层的透明导电氧化物层上表面；

所述第二金属电极层覆盖在所述电子传输层以及所述绝缘阻隔层的上表面。

进一步地，所述第一电极引线和第二电极引线均包括铜箔、铝箔、镀银铜箔以及镀银铝箔的一种或几种的结合；其中，所述第一电极引线与所述第一金属电极层连接，所述第二电极引线与所述第二金属电极层连接。

进一步地，所述包覆材料层为透明离型剂。

本发明还提供了一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构的制备方法，包括如下步骤：

s1、采用磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发的一种或几种结合的方式，在所述衬底上制备一定厚度的透明导电氧化物层，且制备的透明导电氧化物层完全覆盖在所述衬底的上表面；

s2、在制备完成的透明导电氧化物层上表面添加电池沉积掩膜，采用磁控溅射、旋涂、刮涂、喷涂或热蒸发的一种或几种结合的方式，制备一定厚度的空穴传输层，其制备的空穴传输层不完全覆盖透明导电氧化物层；

s3、保持电池沉积掩膜不变，采用旋涂、刮涂、喷涂以及热蒸发的一种或几种结合的方式，在所述空穴传输层的上表面制备一定厚度的钙钛矿吸收层，其制备的钙钛矿吸收层完全覆盖所述空穴传输层；

s4、保持电池沉积掩膜不变，采用磁控溅射、电子束蒸发、旋涂、刮涂、喷涂或热蒸发的一种或几种结合的方式，在所述钙钛矿吸收层的上表面制备一定厚度的电子传输层，其制备的电子传输层完全覆盖所述钙钛矿吸收层；

s5、在制备完成的透明导电氧化物层上表面添加绝缘沉积掩膜，采用磁控溅射、化学气相沉积、电子束蒸发、旋涂、刮涂、喷涂以及热蒸发的一种或几种结合的方式，制备一定厚度的绝缘阻隔层，其制备的绝缘阻隔层左侧面紧贴空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层的右侧面；

s6、在未覆盖所述空穴传输层的透明导电氧化物层上表面添加金属电极沉积掩膜，采用热蒸发或磁控溅射的方式，制备一定厚度的第一金属电极层；在制备好的电子传输层以及绝缘阻隔层的上表面添加金属电极沉积掩膜，采用热蒸发或磁控溅射的方式，制备一定厚度的第二金属电极层；

s7、在制备好的第一金属电极层上连接一片第一电极引线，在制备好的第二金属电极层上连接一片第二电极引线；

s8、采用喷涂或浸泡的方式在制备好的电池表面添加透明离型剂，并进行烘干定型，制备包覆材料层，其中第一金属电极层外接的第一电极引线和第二金属电极层外接的第二电极引线布置在包覆材料层外部，使其不被透明离型剂喷涂或浸泡。

进一步地，所述步骤s5中，其制备的绝缘阻隔层的厚度，与制备的所述空穴传输层、钙钛矿吸收层以及电子传输层三个膜层的总厚度相同。

进一步地，所述步骤s5中，其制备的绝缘阻隔层的右侧面与所述第二金属电极层的右侧面平齐。

进一步地，所述步骤s7中，第二电极引线与第二金属电极层的连接处下方为绝缘阻隔层的区域范围内。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的电极结构，其钙钛矿太阳电池外部全部由阻隔水氧的材料包覆，有效隔绝了柔性钙钛矿太阳电池中空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层与外界环境中水、氧的接触，避免了因外界环境因素影响造成的电池性能衰减。

2、本发明提供的电极结构，有效避免了因电池重复测试而造成电池结构损伤，从而使重复测量得到的数值更具有参考价值。

3、本发明综合考量了可以影响钙钛矿太阳电池稳定的外部因素，并针对柔性衬底的特点加以合适的防护措施，更加适用于柔性钙钛矿太阳电池的稳定性测试。

4、本发明测试方法，有效减少了因膜层制备误差产生的电池有效面积偏差，从而可以得到精确的电池jsc数值，能更准确地评判电池稳定性。

基于上述理由本发明可在柔性太阳电池研发等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构剖面示意图；

图2为本发明的结构没有包覆材料和电极引线的俯视示意图；

图中：1、衬底；2、透明导电氧化物层；3、空穴传输层；4、钙钛矿吸收层；5、电子传输层；6、绝缘阻隔层；7a、第一金属电极层；7b、第二金属电极层；8a、第一电极引线；8b、第二电极引线；9、包覆材料层。

图3为测量掩膜示意图；

图中：10、遮光区域；11、透光区域。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构，包括：衬底1和测量掩膜，衬底1上设置有透明导电氧化物层2、空穴传输层3、钙钛矿吸收层4、电子传输层5、绝缘阻隔层6、第一金属电极层7a、第一电极引线8a、第二金属电极层7b、第二电极引线8b；测量掩膜贴合在柔性太阳电池的入光面；还包括包覆所述电极结构的包覆材料层9。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，衬底1为柔性透明材料，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，测量掩膜包括遮光区域10和透光区域11；透光区域11的面积与第二金属电极层7b在电子传输层5上的面积相同；遮光区域10为去除透光区域面积11的部分。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，透明导电氧化物层2完全覆盖在衬底1的上表面，其为ito薄膜或azo薄膜。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，空穴传输层3设置在透明导电氧化物层2的上表面，且不完全覆盖透明导电氧化物层2，其包括niox、pedot:pss、p3ht以及ptaa的一种或几种的结合。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，钙钛矿吸收层4完全覆盖在所述空穴传输层3的上表面，其为abx3型钙钛矿材料。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，电子传输层5完全覆盖在所述钙钛矿吸收层4的上表面，其包括tio2、sno2、nb2o5、zno、富勒烯及其衍生物的一种或几种的结合。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，绝缘阻隔层6设置在透明导电氧化物层2的上表面，且绝缘阻隔层6的左侧面紧贴空穴传输层3、钙钛矿吸收层4、电子传输层5的右侧面，绝缘阻隔层6的右侧面与第二金属电极层7b的右侧面平齐，其包括al2o3、sio2以及mgo的一种或几种的结合。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，绝缘阻隔层6的厚度，与空穴传输层3、钙钛矿吸收层4以及电子传输层5三个膜层的总厚度相同。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，第一金属电极层7a和第二金属电极层7b均包括au、ag、cu以及al的一种或几种的结合；其中，第一金属电极层7a设置在未覆盖空穴传输层3的透明导电氧化物层2上表面；第二金属电极层7b覆盖在电子传输层5以及绝缘阻隔层6的上表面。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，第一电极引线8a和第二电极引线8b均包括铜箔、铝箔、镀银铜箔以及镀银铝箔的一种或几种的结合；其中，第一电极引线8a与第一金属电极层7a连接，第二电极引线8b与第二金属电极层7b连接。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，包覆材料层9为透明离型剂。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还提供了一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构的制备方法，包括如下步骤：

s1、采用磁控溅射的方式，在聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底1上制备厚度为100nm的ito薄膜作为透明导电氧化物层2，且制备的ito薄膜完全覆盖聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底的上表面；

s2、在制备完成的ito薄膜上表面添加电池沉积掩膜，采用磁控溅射的方式，制备厚度为50nm的niox作为空穴传输层3，其制备的空穴传输层3不完全覆盖透明导电氧化物层2；

s3、保持电池沉积掩膜不变，采用热蒸发的方式，在空穴传输层3的上表面分别沉积mai和pbi2，并进行100℃退火10min，制备得到厚度为200nm的mapbi3钙钛矿薄膜，作为钙钛矿吸收层4，其制备的钙钛矿吸收层4完全覆盖空穴传输层3；

s4、保持电池沉积掩膜不变，采用磁控溅射的方式，在钙钛矿吸收层4的上表面制备厚度为50nm的tio2薄膜，作为电子传输层5，其制备的电子传输层5完全覆盖钙钛矿吸收层4；

s5、在制备完成的透明导电氧化物层2上表面添加绝缘沉积掩膜，采用刮涂的方式，制备厚度为300nm的al2o3薄膜作为绝缘阻隔层6，其制备的绝缘阻隔层6左侧面紧贴空穴传输层3、钙钛矿吸收层4、电子传输层5的右侧面；右侧面与第二金属电极层7b的右侧面平齐。且绝缘阻隔层6的厚度，与制备的空穴传输层3、钙钛矿吸收层4以及电子传输层5三个膜层的总厚度相同。

s6、在未覆盖空穴传输层3的透明导电氧化物层2上表面添加金属电极沉积掩膜，采用磁控溅射的方式，制备厚度为1500nm的au薄膜，作为第一金属电极层7a；在制备好的电子传输层5以及绝缘阻隔层6的上表面添加金属电极沉积掩膜，采用磁控溅射的方式，制备厚度为1500nm的au薄膜，作为第二金属电极层7b；

s7、在制备好的第一金属电极层7a上连接一片第一电极引线8a，在制备好的第二金属电极层7b上连接一片第二电极引线8b；其中，第二电极引线8b与第二金属电极层7b的连接处下方为绝缘阻隔层6的区域范围内。在本实施例中，第一电极引线8a和第二电极引线8b均采用镀银铜箔。

s8、采用喷涂的方式在制备好的电池表面添加透明离型剂，并进行烘干定型，制备包覆材料层，其中第一金属电极层7a外接的第一电极引线8a和第二金属电极层7b外接的第二电极引线8b布置在包覆材料层外部，使其不被透明离型剂喷涂或浸泡。

如图3所示，测试时，测试掩膜置于衬底1没有沉积电池的一面，透光区域11对准电子传输层5上的第二金属电极层7b，使两个圆形上下重合。电池的有效面积为该圆形的面积。

实施例3

在实施例1的基础上，本发明还提供了一种用于柔性太阳电池稳定性精确测量的电极结构的制备方法，包括如下步骤：

s1、采用磁控溅射的方式，在聚酰亚胺衬底1上制备厚度为80nm的ito薄膜作为透明导电氧化物层2，且制备的ito薄膜完全覆盖聚酰亚胺衬底的上表面；

s2、在制备完成的ito薄膜上表面添加电池沉积掩膜，采用刮涂的方式，制备厚度为40nm的ptaa作为空穴传输层3，其制备的空穴传输层3不完全覆盖透明导电氧化物层2；

s3、保持电池沉积掩膜不变，采用刮涂的方式，在空穴传输层3的上表面分别沉积fai和pbi2，并进行160℃退火10min，制备得到厚度为200nm的fapbi3钙钛矿薄膜，作为钙钛矿吸收层4，其制备的钙钛矿吸收层4完全覆盖空穴传输层3；

s4、保持电池沉积掩膜不变，采用磁控溅射的方式，在钙钛矿吸收层4的上表面制备厚度为60nm的sno2薄膜，作为电子传输层5，其制备的电子传输层5完全覆盖钙钛矿吸收层4；

s5、在制备完成的透明导电氧化物层2上表面添加绝缘沉积掩膜，采用刮涂的方式，制备厚度为300nm的sio2薄膜作为绝缘阻隔层6，其制备的绝缘阻隔层6左侧面紧贴空穴传输层3、钙钛矿吸收层4、电子传输层5的右侧面；右侧面与第二金属电极层7b的右侧面平齐。且绝缘阻隔层6的厚度，与制备的空穴传输层3、钙钛矿吸收层4以及电子传输层5三个膜层的总厚度相同。

s6、在未覆盖空穴传输层3的透明导电氧化物层2上表面添加金属电极沉积掩膜，采用磁控溅射的方式，制备厚度为1500nm的ag薄膜，作为第一金属电极层7a；在制备好的电子传输层5以及绝缘阻隔层6的上表面添加金属电极沉积掩膜，采用磁控溅射的方式，制备厚度为1500nm的au薄膜，作为第二金属电极层7b；

s7、在制备好的第一金属电极层7a上连接一片第一电极引线8a，在制备好的第二金属电极层7b上连接一片第二电极引线8b；其中，第二电极引线8b与第二金属电极层7b的连接处下方为绝缘阻隔层6的区域范围内。在本实施例中，第一电极引线8a和第二电极引线8b均采用铜箔。

s8、采用喷涂的方式在制备好的电池表面添加透明离型剂，并进行烘干定型，制备包覆材料层，其中第一金属电极层7a外接的第一电极引线8a和第二金属电极层7b外接的第二电极引线8b布置在包覆材料层外部，使其不被透明离型剂喷涂或浸泡。

如图3所示，测试时，测试掩膜置于衬底1没有沉积电池的一面，透光区域11对准电子传输层5上的第二金属电极层7b，使两个圆形上下重合。电池的有效面积为该圆形的面积。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。